packet switching과 circuit switching은 core network에서 쓰는 기술!

Pop Quiz Packet Switching or Circuit Switching ?

• application에서 메시지가 내려오면 network 로 곧바로 보낸다. P
• 응용 service가 초당 메시지를 생성하는 속도가 일정한 service에 더 적합하다. C
• 양쪽의 end device가 bit를 처리하는 속도가 일정한 device인 경우 더 적합하다. C
• core network이 connection을 생성하는 숫자가 한정적이다. C
• core network이 connection을 생성하는 숫자가 한정적이지 않다. P
• Delivery 도중 delay나 loss가 발생할 수 있다. P
• 경로에서 사용하는 모든 회선(link)의 bandwidth가 확보되어 있다. C
• 메시지가 처음 내려왔을 때, network 로 곧바로 보내지 못 하고 지연이 있다. C
• source로부터 dest까지의 경로 내에서 msg들이 항상 같은 경로로 간다. C

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Alternative core: circuit switching

resource reserve → 통신 시작 전 오버헤드 (Call Setup)

(packet switching은 시작 전 오버헤드 x. 도중 Queueing delay등으로 오버헤드

• route (길을 찾고), 어떤 회선을 쓸 지 모두 set up → 도중 delay 없음, 속도 ↑
• dedicated resources → no sharing, bandwidth 다 씀 (guaranteed performance)
• 주로 telephone network에 사용

Circuit switching: FDM vs TDM

Circuit switching 방식은 모두 Queueing delay가 없음, 각 패킷에 헤더도 필요 x

한 link에 multiple users가 있을 때, link 하나를 몇 명의 사용자가 쓸 수 있을까?

FDM (Frequency Division Multiplexing)

frequency = bandwidth, 4 users에게 항상 250Kbps 보장

Synchronous-TDM (Time Division Multiplexing)

지정된 time slot에만 network 이용 가능 (혼자 써도 지정된 time slot에만 이용 가능)

4 users가 사실 full rate을 쓸 수 있었던 시간은 1/4 sec → 평균적으로 250Kbps

cf) Packet Switching이 사용하는 Statistical TDM

지정된 time slot이 아니어도 link가 available하면 바로 통신 가능

(Synchronous TDM과의 차이: Queue를 두어 비어있으면 바로 쓸 수 있게 함)

buffer를 사용 → Queueing delay / 각 packet에 header 필요 (오버헤드가 있다는 단점)

intermittent & bursty 한 traffic 에 맞는 방법

Packet switching vs. Circuit switching

1Mbps짜리 link를 몇 명의 user까지 사용하게 할 수 있을까?

Ex. 1Mbps link, 각 user는 통신이 시작된 후 10% 정도만 active, active 시 100kbps 사용

• circuit-switching: 10 users (100/10). dedicated되어 resource sharing 불가

• packet switching: 35 users

  35명의 user가 동시에 internet connection을 열었을 때, 동시 10명 이상이 action 할 확률 < 0.0004 ⇒ 시간에 따라 다른 user들과 resource sharing을 할 수 있다

그렇다면 packet switching이 항상 더 나을까?

: bursty data(sent in short & sudden periods of activity)에겐 더 나음
(resource sharing, call setup x)

단점은?

• excessive congestion possible (delay와 loss 발생 가능)
  → 네트워크 provisioning을 잘해야 함. (link의 queue size 조정 등)
• Congestion 해결 방법 3가지
  1. outgoing link 용량 (bandwidth) 확장
  2. output buffer 확대
  3. 동일 목적지로의 우회하는 길 만들기 (새로운 link 증설)
• BW(bandwidth)-sensitive, delay-sensitive apps (audio, video..)
  → source 부터 dest까지 일정한 속도로 streaming 되어야 하는 서비스들

Circuit Switching vs. Packet Switching

Internet structure: network of networks

Access network 끼리 어떻게 연결해야 할까?

• access network의 타입 세 가지
  • residential network (ADSL, VDSL, HFC, FTTH)
  • Institutional network
  • mobile network

1. 모두 연결 (fully meshed): O(N^2)
2. 같은 계층의 ISP끼리의 peering link 연결 (정치적 이해관계에 따라)
3. ISP들끼리 연결된 제 3의 IXP 생성 (Internet Exchange Point)

Internet Exchange Point (IXP)

인터넷 서비스 제공업체 (ISP)끼리 제 3의 위치에서 연결, 스위치를 통해 local traffic 교환

우리나라에 여섯 개

Peering

같은 계층의 ISP끼리 직접 연결, 높은 계층까지 연결하지 않고 직접 통신하여 비용 절감

Multi-tier hierarchy

access network도 Access ISP를 갖고 있음

customer ISP는 provider ISP에게 외부로 나가는 traffic 양을 가늠하여 서비스에 가입

Access ISP → Regional ISP → global ISP

Tier 1 ISP (최상위 계층 ISP)

AT&T, Verizon, Sprint, Level 3, NTT (national & international coverage)

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Quiz

(17) 참/거짓을 표기하시오

a) Packet switching 네트워크도 일종의 TDM 기술로 구현된다.

⇒ T. Statistical TDM 기술로 구현된다.

b) Circuit switching을 구현하는 기술에는 FDM과 Statistical-TDM이 있는데, FDM과는 달리 Statistical-TDM은 한 명의 사용자가 링크 대역폭의 full rate 사용이 가능하다

⇒ F. Circuit switching을 구현하는 기술에는 FDM과 TDM이 있다. Statistical-TDM은 Packet Switching을 구현하는 기술이며, 한 명의 사용자가 링크 대역폭의 full rate 사용이 가능하다.

c) 사용자들이 생성하는 데이터가 bursty 한 경우 packet switching이 circuit switching 보다 더 많은 사용자를 수용할 수 있다.

⇒ T. Packet switching은 intermittent & bursty에 적합한 통신 방식이다.

d) circuit switching에서 전송되는 데이터는 중간에 라우팅을 하기 위해서 목적지 (destination)주소가 함께 전송된다.

⇒ F. circuit switching은 통신 도중이 아닌 시작 전 라우팅을 하기 위해 목적지 주소가 전송 되며, resource reservation (dedicated)을 하기 때문에 도중 목적지 주소를 전송하지 않는다.

e) packet switching은 delay-sensitive 한 데이터 전송에 적합하게 설계되었다.

⇒ F. packet switching은 통신 도중 NW congestion으로 인한 delay 또는 loss가 발생할 수 있기 때문에, delay-sensitive한 데이터 전송에는 circuit switching이 더 적합하다.

f) TDM을 사용하는 circuit switching 네트워크에서는 한 명의 사용자(end host)가 링크의 full rate (즉, link bandwidth)의 속도로 데이터 전송이 가능하다.

⇒ T.

→ F. 지정된 time slot에만 link 대역폭을 사용 가능하므로, 결국 평균적으로 링크의 full rate을 사용하지 못 하게 된다.

(18) Packet switching 네트워크에서 하나의 큰 메시지가 여러 개의 작은 패킷으로 나눠 전송되었을 때 각 패킷마다 목적지 주소를 함께 전송하는 이유는 무엇인가?

⇒ Packet switching은 resource reservation을 하지 않고 패킷 단위로 통신 도중 라우팅을 하기 때문에 각 패킷마다 목적지 주소가 담긴 헤더를 전송한다.

→ 패킷 스위칭에서는 목적지까지의 라우팅 설정 없이 패킷 전송이 시작되므로 중간에 경유하는 각 라우터들이 패킷의 목적지 주소를 알고 라우팅을 해야 하기 때문에 패킷 헤더에 목적지 주소가 포함 되어야 하며, 또한 호스트에서 생성된 한 개의 메시지가 다중 패킷으로 쪼개어 진후 코어망을 통과할 때는 각 패킷들이 마치 별도의 데이터처럼 취급되어 전송이 이루어지므로 각각의 패킷이 (동일한) 목적지 주소를 헤더에 포함하고 있어야한다. 

(19) 슬라이드 #29에서 오른쪽 아래 두번째 Question, Q: What happens if > 35 users? 에답해 보시오. 주어진 문제 조건에서 사용자가 35명을 넘을 경우 어떤 일이 발생하겠는가?

⇒ 사용자가 35명이 넘을 경우 network congestion이 발생할 수 있다. 이로 인해 loss와 delay가 생길 수 있다.

→ Queueing delay가 커지고 심하면 loss가 발생하게 되므로 망 사용자가 느끼는 서비스질(속도)가 떨어지게 된다.

(20) 슬라이드 #30 설명 중 congestion이란 용어가 나옵니다. Congestion은 무엇이며, packet switching 네트워크에서 congestion을 해결하는 방법 세 가지를 언급했습니다. 무엇인가요?

⇒ congestion은 NW 라우터의 output buffer에 트래픽이 몰려 전송이 매우 지연되거나, 패킷 손실이 발생하는 것을 말한다. congestion을 해결하기 위해 1. outgoing link의 대역폭을 넓히거나, 2. output buffer의 사이즈를 확대하나, 3. 동일한 목적지로의 새로운 link 증설을 통해 우회 경로를 만들 수 있다.

(21) 인터넷 구조는 여러 개의 ISP를 거쳐 연결되는 “multi-tier hierarchy” 구조를 가진다. 이때 최 상위에 있는 ISP를 ( ) ISP 라고 한다.

⇒ Tier 1

(22) 네트워크에 발생한 문제 (포트/링크 손상 등)에 무관하게 서비스가 정상으로 유지될 때 그러한 서비스는 ( ) 서비스라고 말한다.

⇒ Reliable

(23) KT와 SKT에 이중으로 가입한 스타벅스는 결과적으로 두개의 provider ISP에 가입된 customer ISP가 된다. 이렇게 두개 이상의 provider ISP에 가입한 ISP를 ( ) ISP 라고한다.

⇒ multi-homed

(24) 네트워크를 (즉, ISP 들을) 연결하는 두 가지 기술은?

⇒ Teering(같은 계층의 ISP들 끼리 연결하는 방식), IXP(제 3의 위치에 ISP끼리 연결)